eng
Выпуск #9/2018
Вилков Евгений Александрович, Максимов Николай Андреевич, Михайлов Геннадий Михайлович, Панас Андрей Иванович, Черных Анатолий Васильевич, Чигарев Сергей Григорьевич
Нелинейная динамика спин-инжекционного излучения терагерцовых волн в наноразмерных магнитных переходах
Нелинейная динамика спин-инжекционного излучения терагерцовых волн в наноразмерных магнитных переходах
Просмотры: 1565
Анализируются экспериментальные данные вынужденного (стимулированного) излучения терагерцовых волн в наноразмерных магнитных переходах. Обсуждаются наблюдаемые нелинейные эффекты излучения на предмет сходства с турбулентными процессами в гидродинамике и динамическим хаосом в радиофизике.
УДК 537.862
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.468.470
УДК 537.862
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.468.470
Теги: magnetic junctions nonlinear interaction spin-injection radiation terahertz (thz) waves turbulence магнитные переходы нелинейное взаимодействие спин-инжекционное излучение терагерцовые (тгц) волны турбулентность
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время внимание специалистов все больше привлекает терагерцовый диапазон длин волн. Он расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами и в силу своей слабой освоенности иногда называется терагерцовой дырой (или провалом). Такая ситуация связана с небольшим выбором существующих источников и приемников терагерцового излучения. К первым относятся ЛОВ, оротроны, гиротроны и лазеры, в то время как выбор приемников и того меньше: это в основном болометры и ячейки Голея. Указанные приборы часто громоздки и неудобны для практических применений. И хотя специалисты считают, что «провал» сомкнулся к концу 90-х годов, эффективность существующих приборов в этом диапазоне остается невысокой.
С другой стороны, свойства сигналов терагерцового диапазона действительно привлекательны с точки зрения использования их на практике. Так, например, ТГц-излучение не является ионизирующим, поэтому, в отличие от рентгеновского излучения, оно не наносит вреда организму. Высокая проникающая способность терагерцовых сигналов делает их весьма перспективными для систем безопасности и сканирования багажа и людей. Интересны предложения по использованию таких сигналов в спектроскопии и высокоскоростных системах связи.
Отмеченные обстоятельства делают актуальными исследования по поиску новых принципов построения источников терагерцового излучения, особенно в плане разработки компактных и технологичных в изготовлении устройств. Одно их них базируется на явлении, наблюдаемом уже на протяжении ряда лет и связанном с обнаруженным эффектом излучения сигналов в диапазоне частот 3–40 ТГц в магнитных переходах, сформированных из контактирующих слоев ферромагнетиков и антиферромагнетиков, при протекании через них токов большой плотности [1]. В [2] было показано, что механизм наблюдаемого излучения может быть связан с инжекцией неравновесных спинов электронов протекающим через контактные слои током и созданием инверсной заселенности спиновых уровней энергии. Такая трактовка вызывает дискуссии среди специалистов, но, по мнению авторов указанной публикации, имеет право на существование. Интересные эффекты наблюдаются при помещении источника терагерцового излучения в резонатор с положительной обратной связью [3–4], что при определенных условиях (величина тока через переходы) приводит к резкому увеличению интенсивности генерации подобно лазерам.
Направление исследований по спин-инжекционному излучению терагерцовых волн в магнитных переходах зародилось в России и по настоящее время не имеет аналогов в мире. С другой стороны, интерес к этим исследованиям существует, о чем свидетельствует публикационная активность ведущих научно-технических журналов. В данной ситуации любые результаты по этому направлению являются новыми и заслуживающими внимания, хотя некоторые выводы авторов как предыдущих работ [1–4], так и настоящей публикации могут казаться и не бесспорными.
Целью данной работы является экспериментальное исследование эффектов, обнаруженных в [3–4], с акцентом на анализ нелинейных (турбулентных) свойств генерации, имеющих место при больших токах инжекции.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МАКЕТ
В основе идеи введения положительной обратной связи лежит проверка гипотезы о создании инверсной заселенности спиновых уровней энергии у электронов при протекании токов через магнитные переходы. При этом используется подход, применяемый при построении лазеров, — в структуру вводится резонатор, обеспечивающий многократный проход излучения через активную среду. Это, в свою очередь, приводит к появлению вынужденного (стимулированного) излучения, которое существенно увеличивает амплитуду излучаемой волны без изменения ее частоты и фазы. Последнее свидетельствует о том, что вынужденное излучение когерентно с вынуждающим излучением.
На рис. 1 схематично представлена структура экспериментального макета источника терагерцовых волн [3]. Он состоит из наноразмерной пленки 2 антиферромагнетика FeMn (30–50 нм), к которой прижат металлический стержень 1, заостренный до диаметра 10–40 мкм. Резонатор образован пленкой 2 и немагнитным слоем 5 из титана (10–15 нм). Последний выполняет функцию полупрозрачного зеркала, имеющего в ТГц-диапазоне коэффициент прозрачности 0,3. В отличие от лазеров, у которых между зеркалами резонатора находится активная среда с инверсной населенностью энергетических уровней, в макете это пространство заполнено высокоомным кремнием 4 толщиной 0,5 мм и коэффициентом преломления, равным 2. Перечисленные характеристики делают резонатор низкодобротным, что является еще одним принципиальным отличием макета от лазерных систем. Формирование излучения происходит в области 3. Нетрудно убедиться, что собственные частоты используемого в эксперименте резонатора отстоят друг от друга на 0,15 ТГц.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Основной задачей экспериментов являлись ответы на следующие вопросы: может ли в данной структуре быть реализован лазерный эффект усиления излучения за счет вынужденного воздействия и что будет происходить с выходным сигналом при больших токах инжекции? Положительный ответ на первый вопрос будет свидетельствовать о том, что кванты энергии, отраженные от титанового зеркала, также способны стимулировать перевороты спинов с излучением, увеличивая мощность излученного сигнала, естественно, при условии что в области 3 уже существует инверсная заселенность спинов. Второй вопрос связан с возможными нелинейными эффектами излучения.
На рис. 2 представлены спектральные характеристики излучения, зафиксированные в эксперименте. Первая из них (рис. 2а) соответствует относительно небольшим токам инжекции (80 мА). В этом случае низкая добротность используемого резонатора в сочетании с нелинейными эффектами, связанными с преобразованием и излучением терагерцового сигнала, приводит к появлению в спектре ближайших гармоник основной моды излучения, расположенной в районе 10 ТГц. Отметим «размытость» спектральных составляющих по частоте, каждая из которых включает в себя более десятка собственных частот резонатора. Увеличение тока приводит к новым эффектам. Рис. 2б демонстрирует спектр излученного сигнала при токе инжекции 120 мА. Спектр становится более широкополосным, вовлекая в процесс излучения все больше собственных частот резонатора. Рост интенсивности генерируемого сигнала и формирование одной явно выраженной моды излучения напоминает эффект, наблюдаемый в лазерах при стимулированном излучении. Именно этот эффект позволил авторам [3, 4] осторожно назвать исследуемый объект терагерцовым квантовым генератором («твазером»). При дальнейшем увеличении тока система переходит в новое состояние. Так, спектр на рис. 2в соответствует току 300 мА и напоминает спектры турбулентных процессов в гидродинамике [5] и в системах с динамическим хаосом в радиофизике [6]. С другой стороны, удивительным является тот факт, что переход системы в «турбулентный» режим сопровождается значительным, практически на порядок, увеличением интенсивности излучения, что отличает его от указанных нелинейных явлений и делает актуальным продолжение исследований по этой проблематике в дальнейшем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, анализ экспериментальных данных по исследованию излучения стимулированных (вынужденных) спин-инжекционных терагерцовых волн свидетельствует о том, что механизм наблюдаемого излучения действительно может быть связан с созданием инверсной заселенности (по аналогии с лазерами) спиновых уровней энергии электронов на границе контактов магнитных переходов. Ставить окончательную точку в дискуссии как о самом явлении излучения терагерцовых волн, так и о его возможных механизмах, наверное, рано, но приведенные в данной работе результаты могут представлять интерес для специалистов в этой области. Кроме того, как с научной, так и с практической точки зрения интерес представляют режимы излучения, наблюдаемые при больших токах инжекции и демонстрирующие динамику, похожую на нелинейную. Но здесь явно не хватает экспериментального материала и теоретических исследований.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
(проект № 15-07-03907а)
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуляев Ю. В., Зильберман П. Е., Маликов И. В., Михайлов Г. М., Панас А. И., Чигарёв С. Г., Эпштейн Э. М. Спин-инжекционное терагерцовое излучение в магнитных переходах // Письма в ЖЭТФ, 2011. — Т. 93. — С. 289–293.
2. Гуляев Ю. В., Зильберман П. Е., Маликов И. В., Михайлов Г. М., Панас А. И., Чигарев С. Г., Эпштейн Э. М. Инжекция спинов током и терагерцовое излучение в ферромагнитных переходах // Доклады Академии наук, 2011. — T. 438. — № 1. — С. 41–43.
3. Гуляев Ю. В., Вилков Е. А., Зильберман П. Е., Михайлов Г. М., Черных Ф. В., Чигарев С. Г. Спин-инжекционное стимулированное излучение терагерцовых волн в магнитных переходах // Письма в ЖЭТФ, 2014. — T. 99. — № 9–10. — С. 591–594.
4. Гуляев Ю. В., Вилков Е. А., Зильберман П. Е., Михайлов Г. М., Черных А. В., Чигарев С. Г. Стимулированное терагерцовое излучение // Радиотехника и электроника, 2015. — T. 60. — № 9. — С. 963–966.
5. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие в 10 томах. Т. 6. Гидродинамика // М.: Наука, 1986. — 736 c.
6. Дмитриев А. С., Ефремова Е. В., Максимов Н. А., Панас А. И. Генерация хаоса . — М.: Техносфера, 2012. — 432 c.
В последнее время внимание специалистов все больше привлекает терагерцовый диапазон длин волн. Он расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами и в силу своей слабой освоенности иногда называется терагерцовой дырой (или провалом). Такая ситуация связана с небольшим выбором существующих источников и приемников терагерцового излучения. К первым относятся ЛОВ, оротроны, гиротроны и лазеры, в то время как выбор приемников и того меньше: это в основном болометры и ячейки Голея. Указанные приборы часто громоздки и неудобны для практических применений. И хотя специалисты считают, что «провал» сомкнулся к концу 90-х годов, эффективность существующих приборов в этом диапазоне остается невысокой.
С другой стороны, свойства сигналов терагерцового диапазона действительно привлекательны с точки зрения использования их на практике. Так, например, ТГц-излучение не является ионизирующим, поэтому, в отличие от рентгеновского излучения, оно не наносит вреда организму. Высокая проникающая способность терагерцовых сигналов делает их весьма перспективными для систем безопасности и сканирования багажа и людей. Интересны предложения по использованию таких сигналов в спектроскопии и высокоскоростных системах связи.
Отмеченные обстоятельства делают актуальными исследования по поиску новых принципов построения источников терагерцового излучения, особенно в плане разработки компактных и технологичных в изготовлении устройств. Одно их них базируется на явлении, наблюдаемом уже на протяжении ряда лет и связанном с обнаруженным эффектом излучения сигналов в диапазоне частот 3–40 ТГц в магнитных переходах, сформированных из контактирующих слоев ферромагнетиков и антиферромагнетиков, при протекании через них токов большой плотности [1]. В [2] было показано, что механизм наблюдаемого излучения может быть связан с инжекцией неравновесных спинов электронов протекающим через контактные слои током и созданием инверсной заселенности спиновых уровней энергии. Такая трактовка вызывает дискуссии среди специалистов, но, по мнению авторов указанной публикации, имеет право на существование. Интересные эффекты наблюдаются при помещении источника терагерцового излучения в резонатор с положительной обратной связью [3–4], что при определенных условиях (величина тока через переходы) приводит к резкому увеличению интенсивности генерации подобно лазерам.
Направление исследований по спин-инжекционному излучению терагерцовых волн в магнитных переходах зародилось в России и по настоящее время не имеет аналогов в мире. С другой стороны, интерес к этим исследованиям существует, о чем свидетельствует публикационная активность ведущих научно-технических журналов. В данной ситуации любые результаты по этому направлению являются новыми и заслуживающими внимания, хотя некоторые выводы авторов как предыдущих работ [1–4], так и настоящей публикации могут казаться и не бесспорными.
Целью данной работы является экспериментальное исследование эффектов, обнаруженных в [3–4], с акцентом на анализ нелинейных (турбулентных) свойств генерации, имеющих место при больших токах инжекции.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МАКЕТ
В основе идеи введения положительной обратной связи лежит проверка гипотезы о создании инверсной заселенности спиновых уровней энергии у электронов при протекании токов через магнитные переходы. При этом используется подход, применяемый при построении лазеров, — в структуру вводится резонатор, обеспечивающий многократный проход излучения через активную среду. Это, в свою очередь, приводит к появлению вынужденного (стимулированного) излучения, которое существенно увеличивает амплитуду излучаемой волны без изменения ее частоты и фазы. Последнее свидетельствует о том, что вынужденное излучение когерентно с вынуждающим излучением.
На рис. 1 схематично представлена структура экспериментального макета источника терагерцовых волн [3]. Он состоит из наноразмерной пленки 2 антиферромагнетика FeMn (30–50 нм), к которой прижат металлический стержень 1, заостренный до диаметра 10–40 мкм. Резонатор образован пленкой 2 и немагнитным слоем 5 из титана (10–15 нм). Последний выполняет функцию полупрозрачного зеркала, имеющего в ТГц-диапазоне коэффициент прозрачности 0,3. В отличие от лазеров, у которых между зеркалами резонатора находится активная среда с инверсной населенностью энергетических уровней, в макете это пространство заполнено высокоомным кремнием 4 толщиной 0,5 мм и коэффициентом преломления, равным 2. Перечисленные характеристики делают резонатор низкодобротным, что является еще одним принципиальным отличием макета от лазерных систем. Формирование излучения происходит в области 3. Нетрудно убедиться, что собственные частоты используемого в эксперименте резонатора отстоят друг от друга на 0,15 ТГц.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Основной задачей экспериментов являлись ответы на следующие вопросы: может ли в данной структуре быть реализован лазерный эффект усиления излучения за счет вынужденного воздействия и что будет происходить с выходным сигналом при больших токах инжекции? Положительный ответ на первый вопрос будет свидетельствовать о том, что кванты энергии, отраженные от титанового зеркала, также способны стимулировать перевороты спинов с излучением, увеличивая мощность излученного сигнала, естественно, при условии что в области 3 уже существует инверсная заселенность спинов. Второй вопрос связан с возможными нелинейными эффектами излучения.
На рис. 2 представлены спектральные характеристики излучения, зафиксированные в эксперименте. Первая из них (рис. 2а) соответствует относительно небольшим токам инжекции (80 мА). В этом случае низкая добротность используемого резонатора в сочетании с нелинейными эффектами, связанными с преобразованием и излучением терагерцового сигнала, приводит к появлению в спектре ближайших гармоник основной моды излучения, расположенной в районе 10 ТГц. Отметим «размытость» спектральных составляющих по частоте, каждая из которых включает в себя более десятка собственных частот резонатора. Увеличение тока приводит к новым эффектам. Рис. 2б демонстрирует спектр излученного сигнала при токе инжекции 120 мА. Спектр становится более широкополосным, вовлекая в процесс излучения все больше собственных частот резонатора. Рост интенсивности генерируемого сигнала и формирование одной явно выраженной моды излучения напоминает эффект, наблюдаемый в лазерах при стимулированном излучении. Именно этот эффект позволил авторам [3, 4] осторожно назвать исследуемый объект терагерцовым квантовым генератором («твазером»). При дальнейшем увеличении тока система переходит в новое состояние. Так, спектр на рис. 2в соответствует току 300 мА и напоминает спектры турбулентных процессов в гидродинамике [5] и в системах с динамическим хаосом в радиофизике [6]. С другой стороны, удивительным является тот факт, что переход системы в «турбулентный» режим сопровождается значительным, практически на порядок, увеличением интенсивности излучения, что отличает его от указанных нелинейных явлений и делает актуальным продолжение исследований по этой проблематике в дальнейшем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, анализ экспериментальных данных по исследованию излучения стимулированных (вынужденных) спин-инжекционных терагерцовых волн свидетельствует о том, что механизм наблюдаемого излучения действительно может быть связан с созданием инверсной заселенности (по аналогии с лазерами) спиновых уровней энергии электронов на границе контактов магнитных переходов. Ставить окончательную точку в дискуссии как о самом явлении излучения терагерцовых волн, так и о его возможных механизмах, наверное, рано, но приведенные в данной работе результаты могут представлять интерес для специалистов в этой области. Кроме того, как с научной, так и с практической точки зрения интерес представляют режимы излучения, наблюдаемые при больших токах инжекции и демонстрирующие динамику, похожую на нелинейную. Но здесь явно не хватает экспериментального материала и теоретических исследований.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
(проект № 15-07-03907а)
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуляев Ю. В., Зильберман П. Е., Маликов И. В., Михайлов Г. М., Панас А. И., Чигарёв С. Г., Эпштейн Э. М. Спин-инжекционное терагерцовое излучение в магнитных переходах // Письма в ЖЭТФ, 2011. — Т. 93. — С. 289–293.
2. Гуляев Ю. В., Зильберман П. Е., Маликов И. В., Михайлов Г. М., Панас А. И., Чигарев С. Г., Эпштейн Э. М. Инжекция спинов током и терагерцовое излучение в ферромагнитных переходах // Доклады Академии наук, 2011. — T. 438. — № 1. — С. 41–43.
3. Гуляев Ю. В., Вилков Е. А., Зильберман П. Е., Михайлов Г. М., Черных Ф. В., Чигарев С. Г. Спин-инжекционное стимулированное излучение терагерцовых волн в магнитных переходах // Письма в ЖЭТФ, 2014. — T. 99. — № 9–10. — С. 591–594.
4. Гуляев Ю. В., Вилков Е. А., Зильберман П. Е., Михайлов Г. М., Черных А. В., Чигарев С. Г. Стимулированное терагерцовое излучение // Радиотехника и электроника, 2015. — T. 60. — № 9. — С. 963–966.
5. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие в 10 томах. Т. 6. Гидродинамика // М.: Наука, 1986. — 736 c.
6. Дмитриев А. С., Ефремова Е. В., Максимов Н. А., Панас А. И. Генерация хаоса . — М.: Техносфера, 2012. — 432 c.
Отзывы читателей
